ES2269209T3 - Aparato y metodo para refrigerar transformadores de potencia. - Google Patents
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Abstract
Sistema para reducir la temperatura de un refrigerante (15) que fluye a través de un transformador (10) de potencia, que comprende un sistema (27) de refrigeración de transformador de potencia que tiene un primer intercambiador (22) de calor que tiene un primer conducto (20) de entrada para recibir el refrigerante desde el transformador (10) de potencia, y una salida (30) para devolver el refrigerante al transformador (10) de potencia; una válvula (40) controlable conectada entre el primer conducto (20) de entrada y un segundo conducto (42) de entrada, comunicando el segundo conducto (42) de entrada con un segundo intercambiador (44) de calor, de líquido a líquido, una fuente (48) de material enfriado conectada al segundo intercambiador (44) de calor para proporcionar material enfriado al mismo para retirar calor del refrigerante que fluye a través del segundo intercambiador (44) de calor, comunicando una segunda salida (46) del segundo intercambiador (44) de calor con el transformador (10)de potencia; y la válvula (40) controlable que puede hacerse funcionar selectivamente entre una posición abierta en la que el refrigerante se desvía hacia el segundo conducto (42) de entrada y una posición cerrada en la que se permite que el refrigerante fluya a través del primer conducto (20) de entrada hasta el primer intercambiador (22) de calor, accionando un controlador (55) la válvula (40) como una función de la temperatura de o bien el sistema (27) de refrigeración de transformador o el transformador (10).
Description
Aparato y método para refrigerar transformadores
de potencia.
La presente invención se refiere a
transformadores y, en particular, a un aparato y método para
refrigerar transformadores de potencia durante el uso.
Los transformadores de potencia se emplean
dentro de sistemas de suministro de energía con el fin de
transformar, transmitir y distribuir electricidad para el consumo
por el usuario final. Los transformadores se designan mediante
voltajes de funcionamiento de lado alto y bajo, y se dimensionan con
respecto a la capacidad de los voltios y amperios que están
transportándose. Por ejemplo, los transformadores de gran tamaño se
utilizan como transformadores de transmisión, que elevan el voltaje
a lo largo de la cadena de suministro de energía, así como
transformadores de distribución, que disminuyen los voltajes para su
distribución.
Un inconveniente de los transformadores
existentes es su propensión a problemas operacionales asociados con
las altas temperaturas de funcionamiento, tanto internas como
externas a los transformadores. Normalmente, con el fin de mantener
la capacidad nominal y conservar la vida útil del transformador y
todas sus partes constituyentes, debe mantenerse la temperatura
máxima dentro del transformador inferior a la menor de 95ºC (203ºF)
y una temperatura que es 65ºC superior a la temperatura ambiente. El
fallo en mantener la temperatura del transformador regulada así
puede dar como resultado un fallo del transformador o quizá la
reducción significativa de su vida útil, cada uno de los cuales da
como resultado un alto coste para la industria debido a la necesidad
de sustituir las unidades de transformador destruidas.
Además, debido a la relación directamente
proporcional entre la temperatura y la resistencia eléctrica, cuando
aumenta la temperatura de los arrollamientos de cobre en el núcleo
del transformador, disminuye la eficacia del transformador, dando
como resultado de ese modo una pérdida de potencia de salida
(vatios) proporcional al calentamiento del núcleo del transformador.
Además, durante su uso, la temperatura en el interior del
transformador tiende a aumentar debido a la corriente eléctrica que
fluye a través de los arrollamientos conductores y la microcorriente
que fluye en el núcleo de acero magnético.
Algunos intentos anteriores de controlar la
temperatura del transformador han sido relativamente rudimentarios.
Por ejemplo, un enfoque común ha sido simplemente empapar el
transformador con agua pulverizada cuando las condiciones
ambientales sugieren el riesgo de una temperatura del transformador
excesiva, o cuando se detecta una condición de alta temperatura.
En otro enfoque, se han proporcionado baños de
aceite para los mecanismos internos del transformador. En diferentes
aplicaciones de la técnica anterior, tales baños de aceite se
diseñaron para funcionar en varios niveles. En primer lugar, un
nivel "autorrefrigerado" se basa esencialmente en corrientes de
convección dentro del aceite aislante y refrigerante de los
transformadores para extraer calor del núcleo. Un segundo nivel usa
una circulación forzada del aceite aislante a través de
intercambiadores de calor/radiadores integrados en o separados del
transformador que utiliza aire ambiente alrededor de los
intercambiadores de calor para absorber la energía calorífica del
aceite refrigerante. Un tercer nivel usa la circulación de aceite
forzada del segundo nivel pero añade ventiladores eléctricos,
alimentados mediante la energía suministrada desde el propio
transformador u otras fuentes de alimentación en la subestación,
para forzar la circulación de aire sobre los radiadores externos,
aumentando así la retirada de calor del aceite y, por tanto, de los
arrollamientos del transformador y aumentando de ese modo la
eficacia del transformador. Estos ventiladores, que se hacen
funcionar selectivamente cuando se eleva la temperatura del
transformador son suficientemente grandes, están controlados por un
controlador conectado a sensores de temperatura situados en y sobre
los transformadores.
En la figura 1, se muestra esquemáticamente un
sistema de la técnica anterior que usa ventiladores. El
transformador, generalmente designado como 10, es de diseño
convencional e incluye una carcasa o alojamiento en el que se
dispone un núcleo 12 de hierro dulce con arrollamientos 14 de cobre
alrededor del mismo. El núcleo y los arrollamientos están sumergidos
en un baño de aceite 15 refrigerante. Una cubierta 16 de gas
nitrógeno en la parte superior del volumen interno del alojamiento
del transformador mantiene la calidad del aceite dentro del
alojamiento.
Situada próxima a la parte superior del
alojamiento del transformador hay una salida conectada por medio de
una válvula 18 de aislamiento superior a un conducto 20 que conduce
a un radiador o intercambiador de calor, generalmente designado como
22. En este sistema anterior, el radiador 22 incluye tubos 24
refrigerante con aletas a través de los cuales se hace circular el
aire refrigerante. Los tubos están orientados en una serie de filas
y columnas separadas para permitir el paso de aire ambiente
alrededor de los mismos para fines de refrigeración. Una pluralidad
de ventiladores 26 accionados por motor están diseñados para extraer
aire por y alrededor de los tubos 24 de refrigeración con aletas con
el fin de proporcionar refrigeración ambiente por aire forzado. La
salida del radiador 22 está conectada a una bomba 28 accionada por
motor, sellada que bombea el aceite refrigerante a través del
conducto 30, la válvula 32 de aislamiento inferior y de vuelta al
volumen interno del alojamiento del transformador.
Durante el funcionamiento, la bomba 28 fuerza el
aceite refrigerante hacia la base del transformador tal como se
indica mediante la flecha 33. Según se desplaza el aceite hacia
arriba, tal como se indica en 35, por y a través de los diversos
orificios previstos dentro de los mecanismos internos del
transformador (tal como el núcleo 12 y los arrollamientos 14),
aumenta la temperatura del aceite refrigerante según retira calor, y
refrigera de este modo las partes del transformador que han
aumentado de temperatura debido a su funcionamiento. El aceite ahora
calentado pasa a través de la salida de aceite en 37 al interior del
conducto 20 y se envía a través del radiador 22. Se extrae aire
ambiente, que se introduce en la zona en la que se instala el
radiador, sobre los tubos 24 de refrigeración mediante ventiladores
26 para refrigerar el aceite que pasa a través de los tubos 24. El
aire ambiente que se ha calentado según se extrae energía del aceite
refrigerante se descarga a la atmósfera, y el fluido refrigerado se
devuelve a la bomba 28 para su recirculación a través del
transformador.
Aunque el sistema de refrigeración de la técnica
anterior mostrado en la figura 1 sí que proporciona algún beneficio,
sus limitaciones de refrigeración dan como resultado que algunos
transformadores funcionen en condiciones que no son deseables.
Específicamente, los límites impuestos por las condiciones
ambientales, más específicamente temperatura, humedad, pueden dar
como resultado que el aceite refrigerante pase completamente a
través del intercambiador de calor sin una eliminación suficiente de
energía calorífica, de tal manera que con el tiempo la temperatura
de la refrigeración continúa acumulándose, y las capacidades de
refrigeración de tal aceite disminuyen entonces. Al final, el aceite
refrigerante puede llegar a estar demasiado caliente para evitar que
el transformador supere las temperaturas recomendadas.
También, se produce normalmente la utilización
del transformador y, en consecuencia, la carga de corriente de carga
durante las condiciones de mayor temperatura ambiente. Por ejemplo,
la temperatura del baño de aceite puede elevarse en los días en los
que las condiciones ambientales son extremadamente cálidas y
húmedas, y, en consecuencia, el aceite no se refrigera adecuadamente
y la temperatura continúa acumulándose en el transformador hasta que
puede producirse un daño en los mecanismos del transformador.
Por tanto, sería deseable proporcionar un
sistema de refrigeración para transformadores de potencia que supere
estos y otros inconvenientes de la técnica anterior.
Se exponen aspectos de la presente invención en
las reivindicaciones independientes. Se exponen las características
preferidas de la presente invención en las reivindicaciones
dependientes.
La presente invención proporciona un aparato y
método para la refrigeración mejorada de los mecanismos internos de
un transformador de potencia. El aparato modula el calor del núcleo
del transformador mientras que al mismo tiempo proporciona una
fuente de refrigeración de alta eficacia que es menos propensa a
tener una acumulación de calor en el aceite refrigerante debido a la
variación de las condiciones ambientales y calor en el núcleo debido
a la carga del transformador. El aparato envía selectivamente aceite
refrigerante para el transformador hacia un intercambiador de calor
dotado con una fuente de material enfriado más eficaz que el aire
ambiente. La presente invención puede utilizar energía en las horas
de menos demanda proporcionada por el transformador para alimentar
el sistema por medio del uso de intercambiadores de calor que
almacenan energía para su uso posterior. En una realización, los
intercambiadores de calor pueden utilizar material de cambio de fase
para el almacenamiento de calor.
Una ventaja de la presente invención es que
proporciona un sistema para refrigerar eficazmente los mecanismos
internos de un transformador para todas las condiciones ambientales,
con el fin de que el transformador no esté sometido a calor que daña
su integridad estructural y/o su eficacia.
Todavía otra ventaja de la presente invención es
que el sistema de refrigeración puede usar un intercambiador de
calor que se hace funcionar con material enfriado proporcionado por
el uso de energía en las horas de menos demanda, disminuyendo de ese
modo el coste de las operaciones. Aún otra ventaja es que la energía
calorífica del transformador puede utilizarse en proporcionar la
energía requerida para hacer funcionar el intercambiador de calor
que refrigera el aceite refrigerante enviado en el
transformador.
Se logra una ventaja adicional mediante las
características de la presente invención que efectúan apropiadamente
la refrigeración del aceite refrigerante del transformador para
cualquier condición ambiental, maximizando de ese modo la capacidad
eléctrica del transformador.
Un objeto del sistema de la invención es mejorar
la eficacia global del transformador eliminando el calor generado
por el flujo de corriente a través del transformador. Otro objeto es
aumentar la utilización y extender la vida útil del transformador
mantenidos por el sistema de refrigeración de la invención.
Las ventajas y objetos mencionados anteriormente
y otros de esta invención, y la manera de obtenerlos, resultarán más
evidentes y la propia invención se entenderá mejor mediante
referencia a la siguiente descripción de realizaciones de la
invención tomada junto con los dibujos adjuntos.
La figura 1 es una vista frontal esquemática, en
sección transversal parcial, de un sistema de refrigeración de la
técnica anterior para un transformador de potencia.
La figura 2 es una vista frontal esquemática, en
sección transversal parcial, de partes de un sistema de
refrigeración para un transformador de potencia de la presente
invención.
La figura 3 es un diagrama de las horas útiles
de un transformador como una función de la temperatura del aceite
del transformador, que compara el rendimiento de sistemas de
refrigeración de la técnica anterior con el rendimiento de un
sistema de refrigeración construido según las enseñanzas de la
presente invención. ºC = 5/9 (ºF -32)
La figura 4 es una vista esquemática que ilustra
una realización de los componentes usados para producir material
enfriado para el intercambiador de calor de la figura 2. ºC = 5/9
(ºF -32)
La figura 4A es una vista en sección
transversal, tomada a lo largo de la línea 4A-4A de
la figura 4, del intercambiador de calor con material de cambio de
fase, y que muestra además en líneas discontinuas la conexión
eléctrica entre los elementos calefactores del intercambiador de
calor y una fuente de alimentación.
La figura 5 es una vista en planta esquemática
de un sistema de refrigeración de un transformador de potencia de la
presente invención adecuado para su uso con un transformador de
potencia de 100 MVA. ºC = 5/9 (ºF -32)
La figura 6 es una vista en planta esquemática
de otro sistema de refrigeración de un transformador de potencia de
la presente invención. ºC = 5/9 (ºF - 32)
La figura 7 es una representación esquemática de
una subestación eléctrica que tiene varios transformadores,
incluyendo cada uno un sistema de refrigeración según una
realización de la presente invención.
Los caracteres de referencia correspondientes
indican partes correspondientes en todas las diversas vistas. Aunque
los dibujos representan realizaciones de la invención, los dibujos
no están necesariamente a escala y ciertas características pueden
exagerarse u omitirse con el fin de ilustrar y explicar mejor la
presente invención.
Para los fines de potenciar el entendimiento de
los principios de la invención, ahora se hará referencia a las
realizaciones ilustradas en los dibujos y se usará un lenguaje
específico para describir las mismas. No obstante, se entenderá que
no se pretende de ese modo ninguna limitación del alcance de la
invención. La invención incluye cualquier alteración y modificación
adicional en los dispositivos ilustrados y métodos descritos y las
aplicaciones adicionales de los principios de la invención que se le
ocurrirían normalmente a un experto en la técnica a la que se
refiere la invención. Por ejemplo, aunque la realización ilustrada
es una modificación de un sistema existente, el sistema de
refrigeración de la invención puede incorporarse en las
especificaciones de diseño para un conjunto de transformadores de
potencia recién construido.
Haciendo referencia ahora a la figura 2, se
muestra esquemáticamente partes seleccionadas de una realización de
un sistema 27 de refrigeración de un transformador de la presente
invención. En esta realización, el transformador y el sistema de
refrigeración de la técnica anterior mostrados en la figura 1 se han
modernizado con un sistema de refrigeración de la presente invención
para proporcionar capacidades de refrigeración del transformador
mejoradas durante muchas condiciones de funcionamiento posiblemente
experimentadas por el transformador. Por tanto, el sistema de
refrigeración de la invención se está usando para aumentar las
capacidades de refrigeración de un sistema de refrigeración
convencional. Esta realización es ilustrativa y no pretende ser
limitativa ya que el sistema de refrigeración de la invención puede
usarse alternativamente como el único sistema de refrigeración para
el aceite refrigerante de un transformador.
Con números de referencia en la figura 2 iguales
a los de la figura 1 para las partes correspondientes, el sistema de
refrigeración de la invención introduce una válvula de tres vías,
mostrada esquemáticamente en 40, en el conducto 20. La válvula 40 se
conecta a un conducto 42 que está conectado a un intercambiador de
calor complementario, mostrado de manera abstracta en 44, que se usa
para refrigerar el aceite refrigerante que fluye alrededor del
transformador. Aunque se muestra con fines de ilustración en la
figura 2 como estando por encima o próxima al conducto 20, la
válvula 40 de tres vías se sitúa en el conducto 20 con el fin de
redirigir selectivamente el aceite refrigerante de tal manera que el
aceite se desvíe del radiador 22 y fluya en su lugar hacia el
conducto 42 y luego a través del intercambiador 44 de calor de
fluido de trabajo enfriado. Este desvío se programa (usando un
controlador 55 descrito en el presente documento) para que se
produzca cuando los ventiladores 26 y el radiador 22 no van a poder
refrigerar apropiadamente el aceite refrigerante.
En una característica de la invención, una línea
46 de retorno desde el intercambiador 44 de calor está conectada a
una bomba 28 de circulación. La línea 46 de retorno introduce aceite
refrigerado durante su paso a través del intercambiador 44 de calor
hasta la bomba 28 para la recirculación a través del transformador
10. La temperatura a la que se refrigera el aceite depende de la
carga del transformador, las condiciones de temperatura ambiente y
el sistema de refrigeración, temperaturas que son preferiblemente lo
suficientemente bajas para no degradar la vida o eficacia del
transformador. Preferiblemente, una válvula de retención o válvula
47 de dos vías está interpuesta en la línea 46 de retorno para
controlar el flujo de recirculación proporcionado al transformador.
En una realización, esta válvula 47 puede controlarse en conjunción
con la válvula 40.
El intercambiador 44 de calor utiliza un fluido
de trabajo enfriado o un material enfriado para reducir
sensiblemente la temperatura del aceite refrigerante procedente del
transformador enviado a través del intercambiador 44 de calor. El
material enfriado se introduce en el intercambiador 44 de calor a
través del conducto 48 conectado a una fuente convencional de
material enfriado (no mostrado). El material enfriado que se ha
calentado cuando se está usando para reducir la temperatura del
aceite refrigerante se descarga desde el intercambiador 44 de calor
a través del conducto 50, que devuelve el material enfriado a la
fuente de material enfriado para su reutilización. El
intercambiador 44 de calor puede ser uno cualquiera de una variedad
de intercambiadores de calor configurados de diferente manera
conocidos en la técnica, tales como un intercambiador de calor de
carcasa y tubos. Sin embargo, en la realización más preferida de la
invención, el intercambiador de calor se basa en una transferencia
de fluido a fluido de energía calorífica entre flujos de fluidos de
trabajo (es decir, aceite refrigerante y material enfriado).
La válvula 40 de tres vías está conectada a un
mecanismo de detección y control de la temperatura o controlador,
mostrado de manera abstracta en 55, que controla el funcionamiento
de la válvula 40. El controlador 55 también puede programarse y
conectarse operativamente de manera convencional de modo que se
controle el resto del sistema de refrigeración de la invención, tal
como la válvula 47 de dos vías o el flujo de material enfriado desde
la fuente de material enfriado, de manera que se entenderá por un
experto en la técnica en vista de la explicación siguiente.
Preferiblemente, el controlador 55 puede ser un controlador
programable convencional que genera señales de control como una
función de diversas señales de entrada. En una realización
específica, el controlador 55 puede programarse para controlar la
válvula 40 como una función de la temperatura del aceite
refrigerante. En esta realización específica, el controlador 55
puede incluir sensores de temperatura instalados de manera interna
y/o externa al alojamiento del transformador o tanque, tal como
suspendidos en el aceite refrigerante en el tercio superior del
alojamiento en particular.
Con el fin de optimizar el rendimiento del
transformador, el controlador 55 puede configurarse de modo que la
temperatura detectada del aceite refrigerante y aislante del
transformador comience a aumentar, pueden proporcionarse señales
digitales desde los sensores a un dispositivo de película delgada
integrada de estado sólido que extrapola la curva de crecimiento
para determinar si la temperatura máxima del aceite refrigerante
superará un nivel aceptable durante un periodo de tiempo siguiente
predeterminado. De hecho, puede realizarse esta misma determinación
a un nivel de software con un controlador 55 configurado
apropiadamente. Normalmente, las temperaturas máximas dentro del
transformador deben mantenerse inferiores a 95ºC (203ºF) o limitado
a un aumento de 65ºC por encima de las temperaturas ambientales con
el fin de mantener la capacidad nominal del transformador y
conservar la vida útil. Si se prevé que van a superarse estos
parámetros, entonces el controlador 55 abre automáticamente la
válvula 40, así como otras válvulas necesarias, en el orden
apropiado para iniciar el proceso de enfriamiento. Por ejemplo,
cuando la fuente de material enfriado ha producido material enfriado
a una temperatura apropiada, se abren las válvulas en orden para
permitir que el material enfriado fluya a través del intercambiador
44 de calor "refrigerante". El controlador 55 puede abrir de
manera sustancialmente simultánea la válvula 40 para enviar el
aceite refrigerante a alta temperatura para la reducción de
temperatura.
Debido a esta característica de
"anticipación" de la arquitectura de control del sistema, no se
permite nunca que los componentes internos del transformador 10 se
aproximen a las temperaturas que podrían reducir la vida útil o la
eficacia del transformador. Además, el controlador 55 puede
programarse para hacer funcionar el sistema de refrigeración de la
invención dentro de cualquier intervalo de temperaturas ambiente y
del aceite refrigerante para maximizar la transferencia de potencia
del transformador. En un enfoque alternativo, el controlador 55
puede incluir información almacenada indicativa de un historial de
temperaturas de un transformador específico. Por ejemplo, los
transformadores muestran normalmente una respuesta de temperatura
generalmente uniforme a las cargas de funcionamiento y a las
condiciones ambientales. Cada transformador responde de manera
diferente y cada uno tiene una respuesta de temperatura umbral
diferente antes de que surja una condición perjudicial. El
controlador 55 puede mantener un historial o perfil de temperaturas
para cada transformador conectado al sistema de refrigeración. Los
datos de temperatura real procedentes de los sensores de temperatura
del aceite refrigerante para cada transformador pueden compararse
frente a este perfil para determinar si se prevé una condición de
temperatura problemática.
Está dentro del alcance de la presente invención
suministrar material enfriado al intercambiador 44 de calor de
cualquier manera que conozca el experto. Por ejemplo, puede usarse
la electricidad de la estación del transformador para producir
material enfriado alimentando un equipo de refrigeración por
compresión de vapor, o un enfriador de absorción y/o fuentes
naturales de agua subterránea, lagos, etc. (por ejemplo, haciendo
funcionar una bomba que lleva agua subterránea al intercambiador de
calor). Tal equipo de refrigeración por compresión de vapor puede
hacerse funcionar en línea, en otras palabras durante el periodo de
tiempo en que realmente se necesita tal material enfriado, o fuera
de línea, o tanto en línea como fuera de línea. Cuando se hace
funcionar fuera de línea, el material enfriado producido por el
equipo de refrigeración por compresión de vapor puede almacenarse
adecuadamente como un fluido o hielo que puede usarse después para
eliminar el calor del núcleo. Aún adicionalmente, el propio
transformador de potencia es una fuente robusta de calor que puede
usarse para alimentar un enfriador o refrigeración por absorción tal
como se describe con más detalle más adelante. Cuando el calor del
transformador es la fuente de energía para su propia refrigeración,
puede realizarse un sistema de refrigeración incluso más eficaz
energéticamente que lo que se logra mediante el uso de ventiladores
o refrigeración por compresión de vapor.
La gráfica en la figura 3 ilustra los beneficios
obtenidos mediante el sistema de refrigeración representado en la
figura 2. La gráfica se refiere a la vida del transformador, en
horas útiles, con respecto al aumento de temperatura en el aceite
refrigerante del transformador. La curva C representa los límites de
rendimiento para los sistemas de refrigeración de aire y de aceite
forzados tradicionales de la técnica anterior. Estos sistemas
anteriores no pueden normalmente mantener de manera predecible el
rendimiento del transformador a la izquierda de la curva C, lo que
significa que el transformador puede hacerse funcionar en un
intervalo peligroso. Sin embargo, con la presente invención, el
rendimiento del transformador siempre se mantiene en la región
"segura", tal como se representa mediante el intervalo R de
funcionamiento en la figura 3.
Haciendo referencia ahora a la figura 4 y la
figura 4A, se muestra una configuración de equipo adecuada para
proporcionar material enfriado al intercambiador 44 de calor
complementario de la figura 2. En la figura 4, el transformador 20 y
los componentes relacionados mostrados en la figura 2, y distintos
al intercambiador 44 de calor, se indican de manera abstracta en 60.
En esta realización, se usa un enfriador de absorción o generador de
refrigeración, generalmente designado como 65, como la fuente de
material enfriado para el intercambiador 44 de calor.
El conducto 48 está conectado operativamente al
enfriador 65 de absorción para suministrar un fluido de trabajo
refrigerado o material enfriado desde el enfriador 65 de absorción
hasta el intercambiador 44 de calor de carcasa y tubos. El material
enfriado puede ser agua, preferiblemente a una temperatura de entre
aproximadamente 6ºC y 16ºC (42ºF y 60ºF). El enfriador 65 se
controla mediante el controlador 55 para proporcionar un fluido de
temperatura modulada. El conducto 50 está conectado operativamente
al enfriador 65 de absorción para devolver el material enfriado
calentado para su nueva refrigeración. El enfriador 65 de absorción
está conectado, por medio de tuberías 72 y 74, a una torre 70 de
refrigeración de diseño tradicional que permite que se expulse a la
atmósfera el calor absorbido en exceso procedente del proceso de
enfriamiento por absorción. La tubería 72 transporta agua a alta
temperatura, tal como a temperaturas de entre aproximadamente 32ºC y
54ºC (90ºF y 130ºF), hasta la torre 70 de refrigeración. La tubería
74 devuelve agua a menor temperatura, tal como a temperaturas de
entre aproximadamente 21ºC y 38ºC (70ºF y 100ºF) al enfriador 65 de
absorción para usos de refrigeración.
La energía calorífica usada para alimentar el
enfriador 65 de absorción se suministra por agua a alta temperatura,
tal como a temperaturas de entre aproximadamente 93ºC y 116ºC (200ºF
y 240ºF), suministrada por la tubería 78 desde un intercambiador 80
de calor de material de cambio de fase (PCM, "phase change
material"). El vapor también puede ser la fuente de energía
calorífica. La tubería 82 devuelve agua a menor temperatura desde el
enfriador 65 de absorción al intercambiador 80 de calor de PCM para
su recalentamiento. En la realización más preferida, el
intercambiador 80 de calor de PCM puede ser de un tipo descrito en
la solicitud de patente de los EE.UU. número 09/607.853 en
tramitación junto con la presente, titulada "Phase Change Material
Heat Exchanger With Heat Energy Transfer Elements Extending Through
the Phase Material" (Intercambiador de calor de material de
cambio de fase con elementos de transferencia de energía calorífica
que se extienden a través del material de fase).
Tal como se muestra de manera abstracta en la
figura 4A, la salida de la estación 85 del transformador está
conectada eléctricamente a los elementos 87 de transferencia de
energía calorífica incluidos en el material 89 de cambio de fase. Se
envía la electricidad procedente de la estación 85 del transformador
para calentar los elementos 87 y fundir el material 89 de cambio de
fase. Este proceso se inicia preferiblemente mediante un
controlador, tal como el controlador 55, en un momento del día en el
que la carga de envío es menor que el régimen nominal del
transformador, incluyendo posiblemente momentos fuera de línea tales
como por la noche, cuando el sistema de refrigeración de la
invención es menos necesario. El intercambiador 80 de calor de PCM
se diseña de tal manera que la energía calorífica cedida a medida
que se solidifica el material de cambio de fase desde un estado
fundido se transfiere al agua que pasa a través del anillo del
intercambiador de calor y se encamina al enfriador 65 de absorción,
de tal manera que el enfriador 65 puede producir material enfriado
usado para acondicionar el aceite del transformador que pasa a
través del intercambiador 44 de calor.
No se proporciona en el presente documento una
descripción adicional de las operaciones internas del enfriador 65
de absorción, ya que su funcionamiento general se conoce en la
técnica. Por ejemplo, la configuración y mecanismos de un enfriador
65 se describen adicionalmente en la patente de los EE.UU. número
4.936.109.
Haciendo referencia ahora a la vista desde
arriba esquemática de la figura 5, el sistema de refrigeración de la
figura 4 se muestra, más adicionalmente, modernizado o adaptado para
refrigerar un transformador 10 de potencia existente con un régimen
nominal de capacidad de 100 MVA, por ejemplo. El transformador 10
existente se muestra ya equipado con cuatro radiadores 22 de
refrigeración ambiente de aceite-aire forzado y sus
bombas 28 asociadas conectadas de manera convencional, y tal como se
describió anteriormente con referencia a la figura 2, al volumen
interno del transformador. Según se describió anteriormente con
referencia a la figura 2, cada entrada al radiador 22 se dota de una
válvula de derivación, tal como la válvula 40, conectada a una línea
42 de aceite a alta temperatura común conectada a un intercambiador
de calor, tal como el intercambiador 44 de calor. El aceite del
transformador refrigerado mediante su paso a través del
intercambiador 44 de calor se devuelve mediante la tubería 46 de
múltiples ramificaciones para la nueva introducción en el
transformador en las cuatro entradas próximas a los cuatro
radiadores 22. En una realización específica, el intercambiador de
calor se dota con una capacidad de transferencia de calor de
aproximadamente 330.000 kcal (setenta y cinco termias británicas
(therm)) y aunque se muestra como una unidad individual, puede
componerse de múltiples unidades más pequeñas que proporcionan
juntas la capacidad de refrigeración requerida.
La temperatura de la salida de aceite
refrigerante desde el intercambiador de calor es una función de las
condiciones ambientales y la carga del transformador. Cuando las
temperaturas ambiente son altas, el intercambiador de calor funciona
como una salida de aceite refrigerante a una temperatura que, junto
con el rendimiento del aceite refrigerante controlado por el
controlador 55, evita que el transformador se caliente más allá de
su nivel recomendado. Por ejemplo, para la realización de la figura
5 descrita con más detalle en el presente documento, en condiciones
meteorológicas máximas en verano en la región central de los EE.UU.
(aire ambiente de aproximadamente 38ºC (100ºF)) durante las cuales
la utilización de electricidad está en su máximo de modo que el
transformador 10 está completamente cargado, es necesario que el
aceite refrigerante evite el sobrecalentamiento del transformador.
En un caso específico, y a modo de ejemplo únicamente, la
temperatura de la entrada de aceite al intercambiador 44 de calor
puede estar a aproximadamente 105ºC (221ºF) con la temperatura de la
salida de aceite refrigerante del intercambiador 44 de calor en un
punto de referencia inferior, tal como aproximadamente 80ºC (176ºF).
Si se desea una temperatura incluso inferior del aceite refrigerante
de salida para tales condiciones, puede requerirse un enfriador más
grande, así como más intercambiadores de calor que los mostrados en
la figura 5 para un mayor almacenamiento de energía. Naturalmente,
pueden sustituirse otros tipos de disipadores de calor por los
intercambiadores de calor descritos para conseguir la capacidad de
almacenamiento de energía requerida. Aún adicionalmente, en
situaciones en las que las temperaturas ambiente son inferiores, la
salida de los intercambiadores de calor puede estar a una
temperatura inferior y puede usarse para refrigerar el
transformador incluso adicionalmente (es decir, por debajo de 105ºC
(221ºF)) para mejorar la eficacia del transformador.
En la realización específica representada en la
figura 5, un enfriador 65 de absorción de 415 toneladas alojado en
una construcción para todo tipo de clima mostrada de manera
abstracta en 66 proporciona al intercambiador 44 de calor un flujo
de un material enfriado, tal como agua enfriada a aproximadamente
7ºC (45ºF) a través del conducto 48. El conducto 50 devuelve el
material enfriado calentado desde el intercambiador 44 de calor
hasta el enfriador 65. El enfriador 65 de absorción está conectado a
una torre 70 de refrigeración a través de tuberías 72 y 74 de manera
convencional.
De nuevo a modo de ejemplo, el enfriador 65 de
absorción puede alimentarse mediante agua a alta temperatura a
aproximadamente 116ºC (240ºF) suministrada por la tubería 78
conectada en paralelo a una pluralidad de intercambiadores 80 de
calor de PCM del tipo descrito con referencia a la figura 4. Los
intercambiadores 80 de calor pueden comprender veinte unidades, cada
una construida a partir de un tubo de 12,8 m (cuarenta y dos pies)
de largo y 0,61 m (veinticuatro pulgadas) de diámetro. Cada
intercambiador de calor puede llenarse con aproximadamente 7
toneladas métricas (8 toneladas) de sal o material de intercambio de
fases. La tubería 82 está conectada en paralelo a los
intercambiadores 80 de calor para devolver agua a menor temperatura
procedente del enfriador 65 de absorción para su recalentamiento.
Los intercambiadores 80 de calor pueden suministrase selectivamente
con electricidad de la estación en horas de menos demanda con el fin
de almacenar varios millones de kcal (BTU) (tales como 66.000.000
kcal (15.000.000 BTU)) que pueden ser suficientes para dos horas de
operaciones durante la carga y temperatura máximas del
transformador) dentro de material de cambio de fase fundido
eléctricamente para el calentamiento final de agua para su uso por
el enfriador 65 u otro aparato de refrigeración. Como la energía
almacenada en los intercambiadores 80 se agota con el tiempo, el
controlador que regula el funcionamiento del sistema de
refrigeración hace que se extraiga energía eléctrica adicional desde
la estación eléctrica cuando la estación no está implicada en el
envío en horas de máxima demanda para recargar el almacenamiento de
energía del material de cambio de fase. En otras palabras, la
energía eléctrica para fundir el material de cambio de fase se
obtiene de la subestación del transformador durante momentos de
menores requerimientos eléctricos, tales como de noche y en horas
durante el día en las que no se requiere la capacidad eléctrica
total de la estación para atender la demanda. Aunque estos
principios de la invención se han explicado con referencia a un
intercambiador de calor de tipo PCM, pueden adaptarse otras formas
de intercambiador de calor para su uso con este sistema de la
invención.
Haciendo referencia ahora a la figura 6, se
muestra todavía otra realización del sistema de refrigeración de
transformador de la presente invención. El sistema de refrigeración
de la figura 6 es similar al sistema de refrigeración de la figura
5, excepto en que incluye además un intercambiador 100 de calor
secundario que se emplea para permitir que el enfriador de absorción
se alimente mediante el calor generado por el transformador. En
algunos casos, durante la puesta en marcha del enfriador de
absorción, puede requerirse capacidad de refrigeración adicional.
Además, puede necesitarse energía calorífica adicional por el propio
enfriador para facilitar su puesta en marcha.
En esta realización, el aceite refrigerante a
alta temperatura procedente del transformador se introduce en un
intercambiador 100 de calor, que puede ser un intercambiador de
calor de carcasa y tubos, por medio de una ramificación 42a
conectada al conducto 42. Preferiblemente, está interpuesta una
válvula controlable entre el conducto 42 y la ramificación 42a,
válvula que puede controlarse mediante un controlador programable
separado como una función de la temperatura del aceite refrigerante,
el estado del enfriador 65 de absorción u otras condiciones. Se
descarga aceite refrigerante a temperatura reducida desde el
intercambiador 100 de calor hacia la ramificación 101 conectada a
la entrada del intercambiador 44 de calor primario. En una
realización específica, el intercambiador de calor secundario puede
reducir la temperatura del aceite desde 105ºC (221ºF) hasta
aproximadamente 88ºC (190ºF).
El fluido de trabajo, tal como agua, que va a
calentarse mediante el intercambiador 100 de calor se suministra por
la tubería 102 que está conectada a la tubería 82, que devuelve agua
a menor temperatura desde el enfriador 65 de absorción para su
recalentamiento. La salida de fluido de trabajo calentado del
intercambiador 100 de calor entra en la tubería 104 que está
conectada a la tubería 78 que suministra agua a alta temperatura,
tal como entre aproximadamente 93ºC y 116ºC (200ºF y 240ºF), al
enfriador 65 de absorción para alimentar la producción de material
enfriado encaminado al intercambiador 44 de calor. Puede conectarse
un conjunto de válvulas apropiado al controlador del sistema de
refrigeración de la invención a través de las tuberías 78 y 82 de
tal manera que puedan encaminarse selectivamente fluidos entre el
enfriador 65 de absorción y cualquiera de los intercambiadores 80 de
calor de PCM o el intercambiador 100 de calor. Tales válvulas hacen
que se suministre energía calorífica al enfriador 65 de absorción
desde la fuente de mayor energía calorífica de los intercambiadores
80 de calor de PCM durante ciertos periodos, tales como durante la
puesta en marcha del enfriador de manera eficaz o cuando el
material enfriado requerido por el intercambiador 44 de calor es
mayor que el que puede proporcionarse por el enfriador 65 de
absorción cuando sólo se alimenta mediante el calor generado desde
el intercambiador 100 de calor. Más particularmente, los
intercambiadores 80 de calor de PCM pueden proporcionar una oleada
de calor para permitir un encendido eficaz del enfriador cuando el
propio transformador no ha "ingresado" suficiente calor que
puede liberar el intercambiador 100 de calor para ello, o cuando un
"ingreso" suficiente de calor en el transformador sería adverso
para la vida o eficacia del transformador. En una realización
alternativa, en lugar de usar intercambiadores 80 de calor de PCM,
puede proporcionarse la puesta en marcha del enfriador mediante
otros dispositivos conocidos, tales como un dispositivo mecánico de
refrigeración, por ejemplo una caldera auxiliar. Se suministra
energía calorífica al enfriador 65 mediante un intercambiador 100 de
calor cuando el enfriador de absorción se ha encendido y está
funcionando en modo continuo, o en momentos en que se requiere una
menor producción de material enfriado.
La realización preferida de la figura 6, que usa
intercambiadores de calor de PCM con el complemento de un sistema
que emplea el calor del transformador (intercambiador 100 de calor),
permite que el operario del sistema optimice la economía de la
invención de refrigeración de un transformador seleccionando
aquellos momentos en los que está más disponible la energía
eléctrica y es menos costoso cargar el sistema de PCM de modo que
estaría disponible para mejorar el funcionamiento del transformador
cuando el equipo y el sistema están en un modo de máximo coste de
funcionamiento a alta tensión. Un beneficio simultáneo del sistema
tal como está configurado también permite que los operarios del
sistema elijan "ingresar" calor almacenado en los
intercambiadores de calor de PCM durante momentos en los que los
costes energéticos son los menores, momentos de menor demanda, y
devolvérselo haciendo funcionar el sistema de refrigeración del
transformador para reducir las pérdidas del núcleo y los
arrollamientos del transformador, lo que mejora la eficacia de
rendimiento de las unidades y reduce los costes de funcionamiento,
incluso cuando la unidad puede funcionar por debajo de temperaturas
críticas debido a temperaturas ambiente inferiores.
En una realización específica útil para un
transformador de 300 MVA, el enfriador puede ser un dispositivo de
321 toneladas métricas (354 toneladas), tal como la unidad Trane
modelo ABSC-03F. El intercambiador de calor puede
ser una unidad de PCM de 14 - 16 toneladas métricas (16 - 18
toneladas). El sistema ilustrado puede almacenar 15.000.000 kcal
(3.300.000 BTU) en horas de menos demanda para aumentar la fuente
calorífica para el enfriador de absorción.
En una modificación de la realización de la
figura 6, la línea 101 de salida puede conectarse directamente al
conducto 46, desviándose así eficazmente del intercambiador 44 de
calor primario. Con esta configuración, el intercambiador 100 de
calor secundario puede proporcionar la refrigeración primaria para
el aceite del transformador, reduciendo de ese modo los requisitos
de salida para el enfriador de absorción.
El sistema de refrigeración de la presente
invención, tal como el sistema 27 descrito anteriormente, puede
formar una parte integrada en una subestación de generación de
energía. Por tanto, tal como se representa en la figura 7, pueden
proporcionarse varios transformadores 10 con un sistema 27 de
refrigeración correspondiente. Cada sistema de refrigeración puede
incluir un enfriador, tal como el enfriador 65, conectado a una
torre 70 de refrigeración común. El controlador 55 programable
puede alojarse en una construcción de mantenimiento o control. Puede
proporcionarse un único controlador para cada sistema de
refrigeración, o un controlador común puede recibir datos de
temperatura y rendimiento desde y emitir señales de control hacia
cada sistema de refrigeración. Preferiblemente, los componentes de
cada sistema 27 de refrigeración se calibran para hacer circular
aceite refrigerante a aproximadamente 1.200 l/min (360 gpm) y para
conseguir un enfriamiento en línea de hasta 107 toneladas
métricas/h (118 toneladas/h).
Claims (16)
1. Sistema para reducir la temperatura de un
refrigerante (15) que fluye a través de un transformador (10) de
potencia, que comprende
un sistema (27) de refrigeración de
transformador de potencia que tiene un primer intercambiador (22) de
calor que tiene un primer conducto (20) de entrada para recibir el
refrigerante desde el transformador (10) de potencia, y una salida
(30) para devolver el refrigerante al transformador (10) de
potencia;
una válvula (40) controlable conectada entre el
primer conducto (20) de entrada y un segundo conducto (42) de
entrada, comunicando el segundo conducto (42) de entrada con un
segundo intercambiador (44) de calor, de líquido a líquido, una
fuente (48) de material enfriado conectada al segundo intercambiador
(44) de calor para proporcionar material enfriado al mismo para
retirar calor del refrigerante que fluye a través del segundo
intercambiador (44) de calor, comunicando una segunda salida (46)
del segundo intercambiador (44) de calor con el transformador (10)
de potencia; y
la válvula (40) controlable que puede hacerse
funcionar selectivamente entre una posición abierta en la que el
refrigerante se desvía hacia el segundo conducto (42) de entrada y
una posición cerrada en la que se permite que el refrigerante fluya
a través del primer conducto (20) de entrada hasta el primer
intercambiador (22) de calor, accionando un controlador (55) la
válvula (40) como una función de la temperatura de o bien el sistema
(27) de refrigeración de transformador o el transformador (10).
2. Sistema según la reivindicación 1, en el que
la válvula (40) controlable incluye un controlador (55) programable
que tiene una memoria para almacenar un perfil de temperatura de o
bien el sistema (27) de refrigeración de transformador o el
transformador (10) y medios para comparar la temperatura de o bien
el sistema (27) de refrigeración de transformador o el transformador
(10) con el perfil de temperatura.
3. Sistema según la reivindicación 1, en el que
el primer intercambiador (22) de calor es un intercambiador de calor
de aire forzado.
4. Sistema según la reivindicación 1, en el que
la fuente de material enfriado incluye un enfriador (65) de
absorción.
5. Sistema según la reivindicación 4, en el que
el enfriador (65) de absorción está conectado a un componente (80)
líquido de almacenamiento de calor.
6. Sistema según la reivindicación 5, en el que
el componente (80) de almacenamiento de calor incluye un material
(89) de cambio de fase.
7. Sistema según la reivindicación 5, en el que
el componente (80) de almacenamiento de calor se alimenta mediante
energía generada por el transformador (10).
8. Sistema según la reivindicación 7, en el que
el componente (80) de almacenamiento de calor se alimenta mediante
la energía calorífica generada por el transformador (10).
9. Sistema según la reivindicación 1, en el que
el material enfriado es agua.
10. Método para reducir la temperatura de un
refrigerante que fluye a través de un sistema (27) de refrigeración
de transformador de potencia, que comprende las etapas de:
insertar una válvula (40) controlable entre un
primer conducto (20) de entrada de un primer intercambiador (22) de
calor y un segundo conducto (42) de entrada que comunica con un
segundo intercambiador (44) de calor, de líquido a líquido;
suministrar una fuente (48) de material enfriado
al segundo intercambiador (44) de calor para retirar energía
calorífica del refrigerante que fluye a través del segundo
intercambiador (44) de calor; y
usar un controlador (55) para accionar la
válvula (40) entre una posición cerrada en la que se permite que el
refrigerante fluya a través del primer conducto (20) de entrada y
una posición abierta en la que se desvía el refrigerante hacia el
segundo conducto (42) de entrada, accionando el controlador (55) la
válvula (40) como una función de la temperatura de o bien el sistema
(27) de refrigeración de transformador o el transformador (10).
11. Método según la reivindicación 10, que
comprende además la etapa de refrigerar el material enfriado usando
un enfriador (65) de absorción accionado por un componente (80) de
almacenamiento de energía calorífica.
12. Método según la reivindicación 11, que
comprende además la etapa de accionar el componente (80) de
almacenamiento de energía calorífica mediante energía extraída del
transformador (10).
13. Método según la reivindicación 12, en el que
la energía extraída del transformador (10) es energía
calorífica.
14. Método según la reivindicación 13, en el que
la energía calorífica extraída del transformador (10) es calor
residual.
15. Método según la reivindicación 10, en el que
el componente (80) de almacenamiento de energía calorífica incluye
un material (89) de cambio de fase, y la energía extraída del
transformador (10) es energía eléctrica.
16. Método según la reivindicación 15, en el que
el transformador (10) es parte de una red de distribución de
potencia y la energía extraída del transformador (10) es energía
eléctrica en horas de menos demanda.
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